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2.2.1 Aprovechamiento Hidroeléctrico

Un aprovechamiento hidroeléctrico es un conjunto de obras diseñadas para aprovechar la energía potencial del agua en la generación de energía eléctrica. Sin embargo, el agua se utiliza no solamente para producir electricidad, sino para usos múltiples.

El agua que se almacena en las presas puede servir para los siguientes propósitos:

a) La generación de energía eléctrica.

b) Abastecer de agua potable a las poblaciones.

c) Proporcionar agua de riego a zonas agrícolas.

d) La navegación, que es el medio de transporte más económico de carga y de pasajeros.

e) La producción de pescado y otras especies comestibles.

f) La formación de centros de recreo.

g) El control de avenidas, o sea, que las presas impidan las inundaciones al almacenar y

regular el gasto de agua en el caso de lluvias torrenciales prolongadas.

2.2.2 Clasificación de Plantas Hidroeléctricas

Por la posición de la casa de máquinas con respecto a la cortina, las plantas hidroeléctricas pueden ser:

a) Hidroeléctricas de rio.

En la figura 2.3 se muestra un esquema de una hidroeléctrica de rio, en el que se aprecian sus características principales.

Las hidroeléctricas de río son plantas que se instalan en ríos de llanura, es decir, ríos que en nuestro país están a punto de llegar al mar. Los ríos de llanura en otros países son navegables y pueden tener cientos o miles de kilómetros utilizados en la navegación.

En general se puede afirmar que los ríos de llanura cuentan con grandes gastos de agua y alturas

aprovechables para generar energía eléctrica pequeñas, no mayores de 50 metros, por lo que la

potencia de las unidades resulta de unas cuantas decenas de MW.

En este tipo de plantas se usan con frecuencia los bloques de tres o cuatro generadores- transformador con objeto de que se facilite el control de la planta, ya que se puede tener decenas de generadores.

Figura 2.3 Esquema de hidroeléctrica de río: 1. Vaso, 2. Cortina, 3. Casa de máquinas, 4.

Desfogue, 5. Vertedor y 6. Subestación. FP [4]

b) Hidroeléctricas con casa de máquinas junto a la cortina.

Estas plantas pueden tener alturas grandes de hasta 300 ó 400 metros y gastos considerables, por lo que resultan ser generalmente de grandes capacidades. Cada unidad de dichas plantas tiene potencias que superan con frecuencia los 100 MW.

En este caso se encuentran todas las grandes plantas mexicanas como son El Infiernillo, El Caracol, Malpaso y Chicoasén por mencionar solo algunas. En el mundo existen unidades con capacidades

de 500, 600y 750 MW cada una.

En éstas plantas se utilizan normalmente turbinas Francis, las que proporcionan la máxima potencia teórica en relación a todas las demás turbinas.

Estas hidroeléctricas se muestran en la figura 2.4.

Figura 2.4 Esquema de planta hidroeléctrica con casa de máquinas junto a la cortina: 1. Grúa,

2. Ferrocarril, 3. Obra de toma, 4. Carretera, 5. Cortina gravitacional, 6. Tubería de presión, 7.

Transformadores. 8. Casa de máquinas, 9. Generador y 10. Turbina. FP [4]

c) Hidroeléctricas con derivación. No en todos los tipos de plantas se tienen todas las obras

mencionadas, ya que por ejemplo en las hidroeléctricas de rio se eliminan las derivaciones, la tubería de presión, del desfogue, etcétera.

En nuestro país se tienen numerosas plantas con derivación, es decir, que en ellas la casa de máquinas se encuentra considerablemente alejada de la obra de toma en el vaso (figura 2.5).

Figura 2.5 Planta hidroeléctrica con derivación: 1. Vaso, 2. Obra de toma, 3. Canal, 4. Túnel abierto, 5. Puesta a presión, 6. Túnel a presión, 7. Pozo de oscilación, 8. Casa de válvulas, 9.

Tubería de la turbina y 10. Casa de máquinas. FP [4]

Las derivaciones suelen tener longitudes de decenas de kilómetros.

Las hidroeléctricas con derivación se construyen en lugares montañosos, en donde, cuando se aleja la casa de máquinas con respecto al vaso, se obtiene un incremento notable en la altura aprovechable por la planta.

En esta forma se incrementan la potencia y la energía de la planta.

Las plantas con derivación no pueden tener potencias muy grandes a pesar de que su altura puede alcanzar 1 600 metros o más.

Esto se debe a que los ríos de montana no pueden ser caudalosos. En conclusión se puede afirmar que cuando hay derivación, se tienen gastos pequeños y grandes alturas. En este tipo de plantas se utilizan básicamente turbinas Pelton.

2.2.3 Descripción de algunas plantas nacionales

Para ilustrar lo hasta aquí expuesto con respecto a los aprovechamientos hidroeléctricos, a continuación se describen brevemente algunas plantas de nuestro país que corresponden a los tipos mencionados.

1) Central hidroeléctrica la Villita

Esta planta hidroeléctrica se localiza en los límites de los estados de Guerrero y Michoacán. Es la última planta del rio Balsas, ya que se encuentra a solo 13 kilómetros de la desembocadura de dicho rio y aguas abajo de la presa.

El Infiernillo. La Villita, El Infiernillo y El Caracol son tres grandes plantas en el Balsas, con capacidad

instalada en operación de 1 906 MW y una generación media anual de 5880 GWh.

El aprovechamiento de los ríos debe ser integral, es decir, que las plantas se construyan en cascadas, una después de la otra.

En la figura 2.6 se muestra el perfil esquemático del rio Balsas con las tres plantas mencionadas en operación y con las plantas de Tepoa, San Juan Telelcingo y Ostutla en estudio. La potencia

instalada en estudio correspondiente a estas tres plantas es de 1 203 MW y la generación media

anual será de 2 750 GWh.

En algunos afluentes del Balsas como el Cupatitzio (afluente del Tepalcatepec) se tienen operando plantas de menor capacidad, como es el caso de las plantas del Cóbano y Cupatitzio, con

capacidades de 52 y 72 MW, respectivamente.

RIO BALSAS

Figura 2.6 Perfil esquemático del río Balsas. FP [4]

Por lo mencionado anteriormente se ye que aún quedan grandes posibilidades de instalar plantas hidroeléctricas en nuestro país, ya que como se dijo anteriormente, falta por construir cerca del ochenta por ciento de lo posible.

Una característica particular de la Villita es que no cuenta con personal de operación, ya que se maneja a control remoto desde la subestación La Pitirera, de Ia planta Infiernillo, utilizando el control supervisorio instalado para tal efecto en Ia sala de tableros de dicha subestación.

La planta de La Villita aprovecha las aguas retenidas por Ia presa José Ma. Morelos, para abastecer

sus cuatro turbinas Francis con gasto nominal de 192 m3_{/s. El volumen de las aguas de esta presa}

se regula normalmente por el desfogue de las unidades generadoras del Infiernillo. En otras palabras estas plantas trabajan en cascada.

En Ia figura 2.7 se muestra un piano de localización general de la planta. La carretera que en él

aparece es la de Lázaro Cárdenas-Zihuatanejo. Como toda cortina de grandes dimensiones, la de la presa Morelos sirve de puente, en este caso entre los estados de Guerrero y Michoacán.

Figura 2.7 Plano de localización general de La Villita: 1. Cortina, 2. Vertedor de demasías, 3. Obra de

toma, 4. Pozo de oscilación, 5. Casa de máquinas, 6. Canal de desfogue y 7. Subestación.FP [4]

La cortina es del tipo de enrocamiento, con elevación máxima en la corona de 59.73 m y un

volumen de 3.51 millones de m3_{. El embalse ocupa un área de 2 890, estando a su máximo nivel, o}

sea, al NAME (Nivel de Aguas Máximas Extraordinarias), teniendo una capacidad total de

almacenamiento de 710 millones de m3_{, de los cuales son útiles 380 millones de m}3_.

Como se ve en la figura 2.7, al oeste de la cortina se encuentran el vertedor de demasías que tiene

una longitud de 98 m en la cresta y una altura de 39.73 m.s.n.m. Tiene una capacidad de paso de 13

Las obras de toma, la conducción hidráulica, los pozos de oscilación y la casa de máquinas se localizan entre la cortina y el vertedor de demasías.

Junto a la casa de máquinas está la subestación elevadora de 13.8 a 230 KY, en la cual se encuentran los cuatro transformadores trifásicos de las unidades con capacidad de 80 MVA cada uno. A 230 KV se conectan los transformadores a tres barras transferibles para enlazarse con la subestación Pitirera de Infiernillo por medio de dos líneas y dos líneas más van a Sicartsa.

Hay además un banco reductor de 100 MVA de tres devanados con voltajes de 230/13.8/115 KY del cual salen líneas a Zihuatanejo, Lázaro Cárdenas, Playón I y Playón II, siendo estas últimas minas de hierro.

En la figura 2.8 se muestra un corte longitudinal de la parte hidráulica desde la obra de toma hasta la casa de máquinas.

Figura 2.8 Esquema hidráulico de La Villita: 1. Rejilla de toma, 2. Túnel a presión, 3.

Compuertas auxiliares, 4. Compuertas de trabajo, 5. Caseta de control, 6. Poso de oscilación, 7.

Tubería de presión, 8. Casa de máquinas y 9. Desfogue. FP [4]

Como se puede observar en la figura 2.8 la planta tiene una obra de toma hibrida, ya que tiene torre para la rejilla bocatoma y pozo para el alojamiento de las compuertas de trabajo y de reserva. En el capitulo referente a obras de toma se ahondará en dicho tema.

Las compuertas son del tipo tablero deslizante, e interrumpen el flujo de agua en el túnel a presión que va de la toma a la tubería de presión de la turbina.

En la parte final del túnel se encuentra el pozo de oscilación, cuya función es la de proteger dicho túnel de las sobrepresiones producidas principalmente por el golpe de ariete y ayudar a la regulación del gasto de agua de la turbina en los cambios bruscos de carga.

Las cuatro turbinas de la planta se alimentan por medio de dos túneles, de modo que cada túnel alimenta dos tuberías de presión y cada una de éstas, a una turbina. El gasto de diseño de las tomas

Las turbinas hidráulicas mostradas en la casa de máquinas de la figura 2.8 son del tipo Francis, de eje vertical, diseñadas pitra una altura de 45 m, velocidad nominal de 120 r.p.m. y potencia nominal de 76 MW.

Los generadores son del tipo sombrilla, de 76 MW de potencia nominal, voltaje nominal de 13.8 kv,

factor de potencia de 0.95 y velocidad de 100/120 r.p.m. Esta doble velocidad nominal se debe a que

la planta se construyó cuando en el país existían las frecuencias de 50 y 60 Hz, teniéndose ya el plan de unificar a 60. Por esta misma razón se tienen dos corrientes nominales que son: 3347 y 3724 A. El generador puede operar obviamente a 50 y 60 ciclos, haciéndolo en 60 desde que se realizó el cambio de frecuencia a mediados de los años setentas.

El agua que abandona la turbina pasa por el tubo de succión que también se muestra en la figura 2.8 con objeto de que el agua aumente la potencia de la turbina al formar un vacio en su parte inferior. El tubo de succión es indispensable en las turbinas reactivas, ya que la eficiencia de éstas se puede

disminuir sin él desde un 5 hasta un 70%. Sobre esto se tratará más adelante, en los capítulos

referentes a turbinas y a casas de máquinas.

Finalmente, el agua sale del tubo de succión hacia el canal de desfogue para las cuatro unidades y éste conduce el agua hacia el cauce del Balsas y de ahí al Océano Pacifico.

2) Planta hidroeléctrica Mazatepec

Mazatepec es una planta que aprovecha las aguas del rio Apulco, del rio Xiucayucan y de cuencas

auxiliares. La cuenca del Apulco es de 1460 km2_{, la del Xiucayucan de 2W) km}2 _{y las auxiliares 90}

km2_{, para un total de 1830 km}2_{. Los gastos medios anuales son: 17.3, 6.5 y 5.5 m}3_{/s, dando un total}

de 29.3 m3_/s.

Localización. La hidroeléctrica Mazatepec, se encuentra 200 km al norte de la ciudad de Puebla, cerca de los limites con Veracruz. Por su situación geográfica, esta planta es nudo de enlace entre las Áreas Noreste, Central y Oriental del Sistema Eléctrico Nacional, a través de líneas de 230 KV a Puebla, Valle de México y Poza Rica. Esta planta se utiliza para la generación de potencia reactiva cuando el sistema así lo requiere.

La central Mazatepec, cuenta con cuatro turbinas tipo Pelton de 52.2 MW cada una, las de mayor

capacidad en su tipo en nuestro país. Su potencia instalada total es de 208.8 MW y genera 650

millones de Kwh al año. La planta se instaló para funcionar con frecuencia de 50 Hz por lo que tuvo que ser convertida a 60 Hz en el periodo de septiembre de 1976, al mes de abril de 1978. La altura o carga estática de esta planta es de las mayores si no es que la máxima en todo el país.

En Suiza y en Austria se tienen las plantas con mayor altura del mundo, ambas superiores a los 1700m.

La figura 2.9 es un croquis donde se muestra la localización de la planta Mazatepec, en él se aprecia que la planta recibe agua procedente del desfogue de la planta de Atexcaco a través del túnel numero 1, que la deposita en el vaso La Soledad.

La planta Atexcaco se encuentra sobre el rio Xiucayucan y la presa La Soledad sobre el Apulco. De La Soledad el agua es conducida a la planta por el túnel número 2. La casa de máquinas se

encuentra sobre el rio Apulco. La capacidad nominal del embalse es de 60 millones de m3 _{y de 61}

millones al NAME.

Figura 2.9 Croquis de localización de la planta Mazatepec. FP [4]

La cortina es del tipo de arco gravedad, con altura máxima de 96.5 m, y longitud de 210 m. El

vertedor tiene 68.5 m. de largo y capacidad de descarga de 7500 m3_/s.

Los principales elementos de la planta Mazatepec se pueden observar en el esquema hidráulico de la figura 2.10. La obra de toma es del tipo ribereño, se encuentra en el vaso La Soledad y alimenta al túnel numero 2.

Figura 2.10Esquema hidráulico de la planta Mazatepec: 1. Vaso, 2. Obra de toma, 3. Compuertas, 4. Túnel 2, 5. Pozo de oscilación, 6. Casa de válvulas, 7. Lumbrera inclinada, 8. Túnel 3 y 9. Casa de

máquinas. FP [4]

Las compuertas de la obra de toma se encuentran inmediatamente detrás de la rejilla y son deslizantes. El desnivel entre la máxima altura del vaso (NAME) y la Mínima (NAMin O) es de 30 m.

En la parte final del túnel numero 2 está el pozo de oscilación, de aproximadamente 54 metros de

altura, seguido de la casa de válvulas.

La casa de válvulas contiene la válvula de trabajo del lado de las turbinas y la de reserva del lado del vaso, como se usa normalmente. El diámetro interior de la tubería es de 4.0 m.

Después de la casa de válvulas inicia la tubería de presión de las turbinas con gran declive, dentro de una lumbrera inclinada.

Finalmente se encuentra la casa de máquinas del tipo de hidroeléctrica con derivación, Ia cual alberga las cuatro turbinas Pelton con sus respectivos generadores.

a. Turbinas

Las turbinas son de eje vertical con potencia de 55.6 MW por cada una, carga estática de 480 m,

b. Generadores:

Los generadores tienen capacidad nominal de 52.2 MW como ya se mencionó anteriormente, voltaje nominal de 13.8 kv, frecuencia de 60 Hz y factor de potencia de 0.9

Las unidades 1 y 2 entraron en operación en 1962 y las 3 y 4 en 63 y 64, respectivamente.

3) Central hidroeléctrica Ing. C. Ramírez Ulloa (El Caracol)

Esta planta es la tercera operando en el rio Balsas, antes de Infiernillo y la Villita, aunque hay el proyecto de la planta de Tepoa entre El Caracol y El Infiernillo, (ver figura 2.6)

La planta se construyó en el cerro El Caracol, del cual toma su nombre extraoficial. Se liega a ella por la carretera de Igual-Teloloapan, de donde hay una desviación pavimentada hasta la planta.

La cuenca de la planta es de 48837 km2 _{y proporciona un volumen de agua medio anual de 6 304}

millones de m3_{, de donde se obtiene el gasto medio anual de 200 m}3_{/s. El gasto máximo registrado}

es de 2 446 m3_{/s, el 27 de septiembre de 1967.}

Los datos principales de los elementos mostrados en el plano de localización son los siguientes: Vaso. El embalse tiene los siguientes niveles sobre el nivel del mar:

NAME 523.6 m

NAMO 520 m

NAMinO 495 m

Tabla 2.1 Niveles del embalse sobre el nivel del mar

La capacidad total de la presa al NAME (Nivel de Aguas Máximas Extraordinarias) es el de 1 860 X

10σ el volumen disponible para control de avenidas es de 120 X 10σ m3 _{y el volumen útil para la}

generación es de 911 * 10σ m3_.

a. La Cortina.

Es del tipo de materiales graduados o de enrocamiento, con un volumen total de 6.34 X 10σ m3_,

incluyendo las ataguías. Sus dimensiones son:

Elevación de la corona 526 m.s.n.m.

Longitud de la corona 347 m

Altura máxima desde el desplante 126 m

b. Túneles de desvió:

Esta obra tiene por objeto desviar las aguas del rio para facilitar la construcción de la planta, por lo que son de aplicación temporal. Normalmente se construyen con elevación próxima a la del río. Al concluirse las obras, los túneles de desvió se cierran definitivamente.

En esta planta se construyeron dos túneles de desvió con sección portal de 13 m. El gasto máximo

de la avenida de diseño es de 4 616 m3_{/s, en un periodo considerado de 50 años. El gasto máximo}

de descarga fue de 4008 m3_/s.

c. Vertedor de demasías u obra de excedencias:

El vertedor de demasías sirve para descargar el agua del vaso sin pasar por las turbinas en los casos en que existen lluvias torrenciales prolongadas (año de lluvias excesivas) o cuando por alguna razón las máquinas no pueden utilizarla. En general, el vertedor normalmente no se utiliza, ya que el agua que pasa por él es como dinero que se tiene en las manos y se escapa. Pueden pasar varios años sin que se utilice el vertedor.

El vertedor de esta planta es del tipo controlado, o sea, que tiene compuertas. Los vertedores no controlados no tienen compuertas, son una especie de ventana por donde el agua pasa hacia la rampa en cuanto alcanza el nivel necesario. Por el contrato el vertedor controlado permite acumular más agua al mantener cerradas las compuertas, lo que da un mejor aprovechamiento para la generación eléctrica.

El vertedor tiene 498 m. de elevación en la cresta y una longitud en ella de 77.60 m, un gasto máximo de descarga total de 11 200 mi/s. Se tienen 8 compuertas del vertedor de tipo radial con dimensiones de 9.7 X 23.99m, la carga estática máxima de las compuertas, es de 23 m. En la figura 2.11 se muestra la sección transversal del vertedor.

Figura 2.11 Vertedor de demasías: a) Planta general, b) Corte transversal, c) Detalle. 1. Vaso, 2.

Rampa del vertedor, 3. Compuerta radial, 4. Salto de esquí. FP [4]

La figura 2.12 es un corte longitudinal desde la obra de toma hasta el desfogue. En primer término se observan las rejillas (1) que evitan la entrada de objetos que puedan atorarse en la turbina, en este caso están antes de la bocatoma. Las rejillas están formadas por paneles estructurales de 1.90

X 2.94 m, el gasto máximo por toma es de 243.40 m3_{/s. A continuación se tienen las compuertas de}

trabajo y de reserva (2), cuyos mandos se localizan en la parte superior de la lumbrera Las compuertas de trabajo o de servicio son tres (una para cada túnel) y de reserva solo una Todas son compuertas rodantes de 720 X 794 m.

Figura 2.12 Esquema hidráulico del Caracol: 1. Rejilla y bocatoma, 2. Lumbrera de compuertas,

3. Túnel a presión, 4. Túnel blindado, 5. Casa de máquinas subterráneas, 6. Tubería Francis, 7. Tubo de succión, 8. Túnel de desfogue, 10. Arca de transformadores, 11. Subestación eléctrica y 12.

El túnel de presión va desde la obra de toma hasta la turbina y está dividido en dos tramos, uno de concreto sin blindaje (3) y el otro blindado (4) El blindaje consiste en una camisa de acero en el

interior Los diámetros de los túneles son de 7.50m en la parte no blindada y 5.67 en la blindada. La

longitud total contando los tres túneles es de 591.85 my de 312.50 para los tramos no blindados, y

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